Creo que es hora de entender el principio de funcionamiento de los transistores MOSFET ...
Suponer que;
- Quiero cambiar el voltaje en una carga resistiva por un transistor MOSFET.
- Cualquier señal de control entre -500V y + 500V se puede generar fácilmente.
- Los modelos de transistores en la imagen no son importantes, también pueden ser de cualquier otro modelo apropiado.
Pregunta # 1
¿Cuáles de las técnicas de manejo son factibles? Quiero decir, ¿cuál de estos cuatro circuitos funcionaría con señales de control aplicadas correctamente?
Pregunta # 2
¿Cuál es el rango del nivel de voltaje de las señales de control (CS1, CS2, CS3, CS4) que carga y descarga la resistencia? (Entiendo que los límites exactos de los estados de encendido y apagado deben calcularse individualmente. Pero estoy pidiendo valores aproximados para comprender el principio de funcionamiento. Por favor, dé declaraciones como " En el circuito (2), el transistor se enciende cuando CS2 está por debajo de 397V y se apaga cuando está por encima de 397V ".)
fuente
Respuestas:
Todos los circuitos son factibles cuando se manejan correctamente, pero 2 y 3 son mucho más comunes, mucho más fáciles de manejar y mucho más seguros si no se hacen las cosas mal.
En lugar de darte un conjunto de respuestas basadas en voltaje, te daré algunas reglas generales que son mucho más útiles una vez que las entiendes.
Los MOSFET tienen un Vgs o Vsg máximo seguro más allá del cual pueden destruirse. Esto generalmente es casi lo mismo en cualquier dirección y es más el resultado de la construcción y el grosor de la capa de óxido.
MOSFET estará "activado" cuando Vg esté entre Vth y Vgsm
Esto tiene sentido para controlar los FET en los circuitos anteriores.
Defina un voltaje Vgsm como el voltaje máximo que la puerta puede ser más + ve que la fuente de forma segura.
Defina -Vgsm como el máximo que Vg puede ser negativo en relación con s.
Defina Vth como el voltaje que una puerta debe ser fuente de wrt para encender el FET. Vth es + ve para FET de canal N y negativo para FET de canal P.
ASI QUE
Circuito 3
MOSFET es seguro para Vgs en rango +/- Vgsm.
MOSFET está activado para Vgs> + Vth
Circuito 2
MOSFET es seguro para Vgs en rango +/- Vgsm.
MOSFET está activado para - Vgs> -Vth (es decir, la puerta es más negativa que el drenaje por la magnitud de Vth).
Circuito 1 Exactamente igual que el circuito 3,
es decir, los voltajes relativos al FET son idénticos. No es sorpresa cuando lo piensas. PERO Vg ahora será ~ = 400V en todo momento.
Circuito 4 Exactamente igual que el circuito 2,
es decir, los voltajes relativos al FET son idénticos. De nuevo, no es sorpresa cuando lo piensas. PERO Vg ahora estará ~ = 400V debajo del riel de 400V en todo momento.
es decir, la diferencia en los circuitos está relacionada con el voltaje de Vg wrt a tierra para un FET de canal N y + 400V para un FET de canal P. El FET no "conoce" el voltaje absoluto en el que se encuentra su compuerta, solo "se preocupa" por los voltajes de la fuente de energía.
Relacionado: surgirá en el camino después de la discusión anterior:
Los MOSFETS son interruptores de '2 cuadrantes'. Es decir, para un interruptor de canal N donde la polaridad de la compuerta y el drenaje en relación con la fuente en "4 cuadrantes" puede ser + +, + -, - - y - +, el MOSFET se encenderá con
O
Agregado a principios de 2016:
P: Usted mencionó que los circuitos 2 y 3 son muy comunes, ¿por qué es eso?
Los interruptores pueden funcionar en ambos cuadrantes, ¿qué hace que uno elija el canal P al canal N, del lado alto al lado bajo? -
R: Esto está cubierto en gran medida en la respuesta original si lo revisa con cuidado. Pero ...
TODOS los circuitos operan solo en el primer cuadrante cuando están activados: su pregunta sobre la operación de 2 cuadrantes indica un malentendido de los 4 circuitos anteriores. Mencioné la operación de 2 cuadrantes al final (arriba) PERO no es relevante en la operación normal. Los 4 circuitos anteriores están funcionando en su primer cuadrante, es decir, polaridad Vgs = polaridad Vds en todo momento cuando están encendidos.
La operación del segundo cuadrante es posible, es decir,
polaridad Vgs = - Polaridad Vds en todo momento cuando se enciende
PERO esto generalmente causa complicaciones debido al "diodo del cuerpo" incorporado en el FET - vea la sección "Diodo del cuerpo" al final.
En los circuitos 2 y 3, el voltaje del controlador de compuerta siempre se encuentra entre los rieles de la fuente de alimentación, lo que hace innecesario el uso de arreglos "especiales" para derivar los voltajes del controlador.
En el circuito 1, la unidad de compuerta debe estar por encima del riel de 400 V para obtener suficientes Vgs para encender el MOSFET.
En el circuito 4, el voltaje de la puerta debe estar bajo tierra.
Para lograr tales voltajes, a menudo se usan circuitos de "arranque" que usualmente usan una "bomba" de condensador de diodo para dar el voltaje extra.
Una disposición común es usar 4 x N Channel en un puente.
Los 2 x FET del lado bajo tienen un control de compuerta habitual: digamos 0/12 V, y los 2 FET del lado alto necesitan (aquí) 412 V para suministrar + 12V a los FET del lado alto cuando el FET está encendido. Esto no es técnicamente difícil, pero es más para hacer, más para salir mal y debe diseñarse. El suministro de arranque a menudo es impulsado por las señales de conmutación PWM, por lo que hay una frecuencia más baja en la que aún se obtiene la unidad de puerta superior. Apague la CA y el voltaje de arranque comienza a decaer bajo fugas. De nuevo, no es difícil, simplemente agradable de evitar.
Usar el canal 4 x N es "bueno" ya que
todos coinciden,
Rdson generalmente es más bajo por el mismo $ que el canal P.
¡¡¡NOTA !!!: Si los paquetes tienen lengüeta aislada o usan montaje aislado, todos pueden ir juntos en el mismo disipador de calor, ¡PERO tenga el MUCHO CUIDADO!
En este caso
Los 2 inferiores tienen
cambió 400V en los desagües y
las fuentes están conectadas a tierra,
las puertas están a 0 / 12V, por ejemplo.
mientras
los 2 superiores tienen
400V permanente en los desagües y
cambió 400V en las fuentes y
400/412 V en las puertas.
Diodo corporal: todos los FETS que se encuentran generalmente * tienen un diodo corporal con polarización inversa "intrínseca" o "parásita" entre el drenaje y la fuente. En funcionamiento normal, esto no afecta el funcionamiento previsto. Si el FET se opera en el segundo cuadrante (por ejemplo, para el canal N Vds = -ve, Vgs = + ve) [[pedantería: llame al tercero si lo desea :-)]], entonces el diodo del cuerpo se conducirá cuando se encienda el FET apagado cuando Vds es -ve. Hay situaciones en las que esto es útil y deseado, pero no son lo que se encuentra comúnmente en, por ejemplo, 4 puentes FET.
* El diodo del cuerpo se forma debido a que el sustrato en el que se forman las capas del dispositivo es conductor. Los dispositivos con un sustrato aislante (como Silicon on Saphire) no tienen este diodo intrínseco, pero suelen ser muy caros y especializados.
fuente
¡Esta es una buena pregunta! Hay algunos matices que las otras respuestas han perdido, así que pensé en intervenir.
La respuesta corta es la siguiente:
¿Cuándo no usarías esta topología? La única razón principal para hacerlo es si tiene una carga que necesita tener un terminal conectado a tierra del circuito, por seguridad eléctrica o para minimizar la radiación / susceptibilidad electromagnética. Algunos motores / ventiladores / bombas / calentadores / etc. deben hacer esto, en cuyo caso se ve obligado a utilizar la topología del lado alto n. ° 1 o n. ° 2.
Un interruptor del lado alto del canal N (Topología n. ° 1) tiene un mejor rendimiento que un interruptor del lado alto del canal P de tamaño / precio comparable, pero la unidad de puerta es más complicada y tiene que ser relativa a la fuente MOSFET del canal N terminal, que varía a medida que el circuito cambia, pero hay circuitos integrados de control de puerta que están destinados a controlar MOSFETS de canal N de lado alto. Las aplicaciones de alto voltaje o alta potencia generalmente usan esta topología.
Un interruptor del lado alto del canal P (Topología # 2) tiene un rendimiento peor que un interruptor del lado alto del canal N de tamaño / precio comparable, pero el accionamiento de la compuerta es simple: conecte la compuerta al riel positivo ("+ 400V" en su dibujo) para apagarlo y conectar la puerta a un voltaje que esté 5-10V debajo del riel positivo para encenderlo. Bueno, sobre todo simple. Con voltajes de suministro bajos (5-15 V), esencialmente puede conectar la puerta a tierra para encender el MOSFET. A voltajes más altos (15-50V), a menudo puede crear un suministro de polarización con una resistencia y un diodo zener. Por encima de 50 V, o si el interruptor tiene que encenderse rápidamente, esto se vuelve poco práctico y esta topología se usa con menos frecuencia.
La última topología n. ° 4 (conmutador de canal P del lado bajo) tiene el peor de todos los mundos (peor rendimiento del dispositivo, circuito de control de compuerta complejo) y esencialmente nunca se usa.
He escrito una discusión más detallada en una publicación de blog .
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No especifica si el voltaje de control es con respecto a tierra, o si puede flotar.
El circuito 3 es el esquema de canal N más práctico. La fuente está a un voltaje fijo con respecto a tierra, lo que significa que puede proporcionar un voltaje fijo de fuente de puerta para controlarlo. El MOSFET estará 'encendido' en cualquier lugar desde +2.5 a + 12V por encima del suelo, dependiendo del dispositivo.
El circuito 1 es complicado. Cuando el MOSFET está apagado, la fuente es algo así como un nodo flotante (imagine un divisor de resistencia con la resistencia superior enorme) sentado en algún lugar cercano a cero. Cuando el MOSFET está encendido, la fuente estará muy cerca de 400V asumiendo saturación. Una fuente en movimiento significa que el voltaje de control de puerta a tierra también tendría que moverse para mantener encendido el MOSFET.
El circuito 1 es mejor si hace referencia al voltaje de control a la fuente del MOSFET y no a tierra. Esto es trivial si tiene la intención de conducir el MOSFET con una señal PWM con un tiempo de encendido suficientemente pequeño para permitir el uso de un transformador de pulso o un controlador de bomba de carga. Fijar el voltaje de control a la fuente del MOSFET significa que el MOSFET puede flotar hacia arriba y hacia abajo como quiera, sin afectar el variador.
El circuito 2 es directo como el circuito 3. Si el voltaje de control está referenciado a tierra, probar 397.5V a 388V de puerta a tierra (-2.5 a -12V de puerta a fuente) encenderá el MOSFET. La fuente es fija (siempre a + 400 V), por lo que controlar la puerta significa que un voltaje fijo es todo lo que necesita. (A menos que su bus de 400V se derrumbe, pero ese es otro problema).
El circuito 4, como el circuito 2, es complicado. Cuando el MOSFET está apagado, la fuente se encuentra cerca de 400V. Cuando está encendido, caerá a casi cero. Una fuente variable significa un suministro de compuerta variable con respecto a tierra, que nuevamente es una propuesta desordenada.
En general, mantenga sus fuentes fijas siempre que sea posible, o si tienen que flotar, use un suministro flotante para controlarlas.
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